分子印迹技术在分离天然活性成分中的应用研究进展.pdf
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1、第 57 卷第 5 期2023 年 9 月生 物 质 化 学 工 程Biomass Chemical EngineeringVol.57 No.5Sept.2023 收稿日期:2022-12-20 基金项目:国家重点研发计划资助项目(2022YFD1300903);国家自然科学基金资助项目(31901236);华侨大学引进人才科研启动经费(22BS133)作者简介:管勤昊(1999),男,山东德州人,硕士生,主要从事植物多酚的研究 通讯作者:张亮亮,研究员,博士,研究领域:单宁化学;E-mail:。doi:10.3969/j.issn.1673-5854.2023.05.007综述评论 生物质
2、天然活性成分分子印迹技术在分离天然活性成分中的应用研究进展管勤昊1,闫林林1,汤丽华1,徐 曼1,张亮亮2,黄立新1(1.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所;江苏省生物质能源与材料重点实验室;国家林业和草原局林产化学工程重点实验室;林木生物质低碳高效利用国家工程研究中心;江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏 南京 210042;2.华侨大学 先进碳转化技术研究院,福建 厦门 361021)摘 要:分子印迹技术因具有特异识别性、高预选性和高稳定性等优点,在天然产物化学领域受到广泛关注,尤其是天然活性物质分离方面。本文对分子印迹技术的基本原理、结合方式、常用原料和聚合方法进行介绍,重点
3、分析了分子印迹聚合物制备方法中的共价作用、非共价作用和金属配位作用等结合方式的区别与联系,同时讨论了 2017 2022 年分子印迹技术在分离黄酮类、多酚类、生物碱类、有机酸类、甾体类及其他天然活性成分的应用研究进展,并提出了目前分子印迹技术存在的问题和未来研究方向。关键词:分子印迹技术;分子印迹聚合物;天然活性物质;天然产物化学中图分类号:TQ35文献标志码:A 文章编号:1673-5854(2023)05-0051-10引文格式:管勤昊,闫林林,汤丽华,等.分子印迹技术在分离天然活性成分中的应用研究进展J.生物质化学工程,2023,57(5):51 60.R Re es se ea ar
4、rc ch h P Pr ro og gr re es ss s o on n t th he e A Ap pp pl li ic ca at ti io on n o of f M Mo ol le ec cu ul la ar r I Im mp pr ri in nt ti in ng g T Te ec ch hn no ol lo og gy yi in n t th he e S Se ep pa ar ra at ti io on n o of f N Na at tu ur ra al l A Ac ct ti iv ve e I In ng gr re ed di ie e
5、n nt ts sGUAN Qinhao1,YAN Linlin1,TANG Lihua1,XU Man1,ZHANG Liangliang2,HUANG Lixin1(1.Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF;Key Lab.of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province;KeyLab.of Chemical Engineering of Forest Products,National Forestry and Grassland Administration;Nation
6、al EngineeringResearch Center of Low-Carbon Processing and Utilization of Forest Biomass;Jiangsu Co-Innovation Center ofEfficient Processing and Utilization of Forest Resources,Nanjing 210042,China;2.Institute ofAdvanced Carbon Conversion Technology,Huaqiao University,Xiamen 361021,China)Abstract:Mo
7、lecular imprinting technology was the process of designing molecularly imprinted polymers against a target moleculeas a template,and it had received a lot of attention in the direction of natural product chemistry,especially in the isolation ofnatural active substances,because of its advantages of s
8、pecific recognition,high preselection and high stability.In this paper,we introduced the basic principles,binding modes,common raw materials and polymerization methods of molecular imprintingtechnology,focusing on the different connections of binding modes such as covalent interaction,non-covalent i
9、nteraction andmetal ligand interaction.At the same time,the applications of molecular imprinting technology in the separation of flavonoids,polyphenols,alkaloids,organic acids,steroids and other natural active ingredients in 2017-2022 were also discussed,and thecurrent problems and future research d
10、irections of molecular blotting technology were proposed.Key word:molecular imprinting technology;molecularly imprinted polymer;natural active substances;natural product chemisry天然活性物质是一种广泛存在于动植物及海洋生物体内的生物因子,根据结构及功能差异,主要可分为多酚类、黄酮类和生物碱类等1,大多数天然活性物质拥有调节血糖血脂、抑制肿瘤生长、抗氧52 生 物 质 化 学 工 程第 57 卷化等多种生理功效,在食品、
11、医疗领域具有较高价值2-4。目前,针对天然活性物质的分离方法主要包括溶剂提取法、沉淀法和结晶法等传统分离方法,以及近年来新发展的大孔吸附树脂法、超临界流体萃取法、高速逆流色谱法、分子印迹法等新兴分离方法5-8。分子印迹技术(MIT),也称作分子模板技术,通常被描述为根据目标“分子模板”定制具有特殊结构“分子识别器”的方法,其可以针对目标分子进行专一定制从而实现特异性识别、分离和纯化目标分子9-10。目前,分子印迹技术已广泛应用于化学分析11-12、递送体系13-14、食品安全15-16、生物技术17等领域。由于分子印迹技术具有特异性识别特性,与天然活性物质的分离目的不谋而合,将其应用于天然活性
12、物质的分离具有极高可行性。近年来,分子印迹技术应用于天然活性物质的研究受到了越来越多科研工作者的青睐并取得了显著成效。因此,本文对分子印迹技术进行了概述,同时对其在天然活性物质分离方向的应用进行了论述与展望,旨在为今后相关研究提供参考。1 分子印迹技术概论1.1 基本原理分子印迹技术是一种合成具有模板分子特异性识别位点聚合物的技术18,其本质是以给定目标分子为模板,针对其设计分子印迹聚合物(MIPs),从而实现特异性识别与纯化的过程9。具体作用过程如图 1 所示。首先,根据模板分子特性选择与之互补的功能单体并使二者通过共价、非共价或金属配位等方式结合,形成模板-单体复合物;而后将功能单体与交联
13、剂进行聚合,以产生固定形态,最后将模板-单体复合物中模板分子进行洗脱,从而得到分子印迹聚合物。该聚合物内存在可以与模板分子发生多点位相互作用的空穴,在空间结构等方面与模板分子相匹配,从而实现对模板分子的特异性识别19-21。根据模板分子与功能单体之间相互作用类型,可将制备分子印迹聚合物方法分为共价作用、非共价作用、半共价作用和金属配位作用等22-23。图 1 分子印迹技术基本作用原理Fig.1 Basic principle of molecular imprinting technique1.2 分子印迹技术作用方式分类1.2.1 共价作用 共价作用法是由 Wulff 等创立发展起来的,主要
14、印迹分子包括席夫碱、缩酮、硼酸酯等24-26。该方法中,模板分子和功能单体以共价键形式连接并进一步交联聚合生成聚合物,随后在特定化学条件下打开共价键脱去模板分子生成分子印迹聚合物27。该方法生成的模板-单体复合物十分稳定,具有分布均匀且强度较大的结合位点,但可供共价作用使用的可逆共价反应仅仅局限于少数化学反应,使得该方法具有较大局限性。1.2.2 非共价作用 非共价作用法与共价作用法主要区别在于模板分子与功能单体结合过程中作用力的不同。非共价作用是指模板分子与功能单体之间主要通过氢键、静电相互作用、范德华力等非共价作用自组装形成模板-单体复合物,而后通过交联、洗脱得到分子印迹聚合物28-29。
15、相较于共价作用,该方法模板分子易洗脱,但特异性识别能力相对较弱30-31。1.2.3 半共价作用 半共价作用法实质上是将共价作用与非共价作用相互结合而成的方法。模板分第 5 期管勤昊,等:分子印迹技术在分离天然活性成分中的应用研究进展53 子与多种功能单体同时通过共价作用与非共价作用连接形成模板-单体复合物,经交联、洗脱得到分子印迹聚合物。该方法较共价作用与非共价作用更加简单便捷,但需选择多种针对模板分子的功能单体,较为繁琐21,32。1.2.4 金属配位作用 金属配位作用具有高度立体选择性,并且在配位键结合与断裂过程中较为温和。当前已用于分子印迹技术的金属离子主要有 Zn2+、Cu2+、Ni
16、+等33-34。通过金属离子配位进行分子印迹是一种不同于传统分子印迹的方式,其主要区别在于该方法除需要模板分子、功能单体、交联剂外,还需要向体系中加入金属离子作为连接模板分子与功能单体的桥梁。而金属配位作用作为一种相对较强且可以稳定存在于水或醇溶液中的作用力,可以成为取代其他非共价相互作用的途径之一。目前,金属配位分子印迹聚合物在极性溶剂与质子溶剂中均表现出良好的印迹效率,且以 Cu2+与 Fe3+为代表的金属离子在进行配位分子印迹的同时还可以形成催化中心,进一步拓展了分子印迹聚合物的用途。该方法常用于分离多肽、蛋白及天然活性成分,在生物、中药学等领域具有广泛前景。1.3 常用原料分子印迹过程
17、中,原料包括模板分子、功能单体、交联剂、引发剂和溶剂等。按研究目的选择模板分子,而后根据模板分子结构特点寻找可能与其相结合的功能单体,如 4-乙烯基吡啶、甲基丙烯酸和丙烯酰胺等;交联剂与引发剂的选择需要兼顾功能性和溶解性,常见交联剂有乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯和戊二醛等,常见引发剂有偶氮二异丁腈、过硫酸铵和过硫酸钾等。偶氮二异丁腈由于反应稳定且副反应较少,是分子印迹技术中最常用的自由基引发剂35。此外,分子印迹过程中需要根据印迹种类选择不同溶剂,要求既能够溶解模板分子、功能单体、交联剂、引发剂等一系列物质,又能够为分子印迹聚合物提供多孔结构,常用质子溶剂有甲醇、乙醇和甲酸等,常用非极性溶
18、剂有四氢呋喃、氯仿和二氯甲烷等。1.4 分子印迹技术聚合方法根据模板分子、功能单体不同,分子印迹聚合物有多种制备方法可以选择。一般分为三维分子印迹和二维分子印迹(表面印迹)。根据所选用分子印迹类型及过程状态,三维分子印迹又可以分为本体聚合、分散聚合、沉淀聚合、悬浮聚合和原位聚合;根据聚合反应发生位置,二维分子印迹可以分为自下而上及自上而下的 2 种制备方法21,36-37。随着分子印迹技术不断与生物、化学、物理等学科交叉发展,其聚合方式也不断创新,离子液体、温度敏感型及 pH 值敏感型分子印迹聚合物的制备已经成为当今分子印迹技术方向的研究热点38-41。2 分子印迹技术在天然活性物质分离研究领
19、域的应用2.1 分离黄酮类成分黄酮类化合物是指 2 个苯环通过 3 个碳原子相互连接的一系列化合物,如槲皮素、芦丁和桑色素等,其基本碳架为 C6C3C6结构,广泛存在于蔬菜、水果及各种药用植物中。多项研究表明,黄酮类化合物具有抗氧化、抗肿瘤和消炎等生理作用,因其卓越的医疗价值一直是中医药及天然产物化学领域研究的热点42-46。朱安宏等47以 Fe3O4磁性纳米颗粒为载体、槲皮素为模板分子、丙烯酰胺(AM)为功能单体、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)为交联剂,按槲皮素与 AM 物质的量比 16 制备出分子印迹聚合物,其具有较好的磁学性能同时能够快速高效分离槲皮素。该试验中采用了表面分子印迹的方
20、式。该类表面分子印迹聚合物具有易分离、无需二次处理、可根据需要调节聚合物粒径大小等特点。目前,发展较为成熟的表面分子印迹技术是利用金属离子与组氨酸之间的配位作用力对含有组氨酸片段的多肽与蛋白质进行分离,其本质是将大分子物质的某一部分作为分子印迹结合位点,从而实现对大分子的整体分离,该思路亦可应用于大分子天然活性物质的分离纯化,大多数黄酮中含有苯环、多羟基苯等结构,利用苯酚、苯二酚、苯三酚等小分子作为模板分子,进而印记含有其结构的大分子黄酮,是分子印迹技术应用于黄酮类化合物分离的可行性探索。有研究48-49以芦丁为模板分子、通过等摩尔变换法确定 4-乙烯基吡啶(4-VP)与 4-乙烯基苯硼酸54
21、 生 物 质 化 学 工 程第 57 卷为双功能单体、以二乙烯基苯与二硫苏糖醇为双交联剂、以 2,2-二甲氧基-2-脱氧苯偶姻与 2-羟基-4(2-羟乙基)-2-甲基苯丙酮为双引发剂,经光照反应 12 h 制备得到正电荷胶束型分子印迹聚合物,将其与带负电的柠檬酸三钠修饰的 Fe3O4(Fe3O4 CA)载体通过静电相互作用结合,制备得到磁性胶束多功能单体分子印迹聚合物。该磁性胶束多功能单体分子印迹聚合物可以从芦丁结构类似物槲皮素、柚皮苷、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷中特异性吸附芦丁分子,识别特异性因子高达 3.55,可以有效地从复杂体系中分离芦丁。黄酮类化合物分子中的 C6C3C6结构使得黄酮类
22、化合物在结构上往往存在一定相似性,当待分离体系中同时含有多种黄酮类化合物时,由两种及以上的功能单体对模板分子进行印迹的多功能单体法可以更好地对模板分子进行特异性印记及吸附,从而提高针对结构类似物的选择性。由于天然产物常具有相似结构,多功能单体法在分离天然活性物质方向有着较为广泛的应用。邢占芬等50在水-甲醇-Cu2+条件下,以 AM 为功能单体,以配位作用为驱动力制备桑色素-Cu2+配位分子印迹聚合物,该聚合物具有特异性识别率高、结合力强、识别速度快等特点,解决了以氢键为驱动力的分子印迹聚合物在极性环境中识别能力严重下降的问题,对桑色素最大吸附量可达 82 mol/g,远大于非配位吸附方式,是
23、一种高效分离桑色素的聚合物。黄酮类化合物作为一种具有较高医疗价值的天然活性物质,其单一组分的提取一直是研究者们所追求的目标。2017 2022 年分子印迹技术分离黄酮类成分的应用见表 1。目前,黄酮类化合物主要通过有机溶剂萃取、碱提酸沉、微波辅助萃取等方法提取得到总黄酮,如何对总黄酮中不同组分进行分离一直是科研工作者研究的重点。现行方法下,即使对同一种黄酮进行分离,常需要针对不同植物类型、溶剂体系、黄酮种类等因素进行调整,重复率低,耗时耗力。分子印迹技术作为一种针对目标化合物特异性分离的技术,对其原料类型及分离体系要求不高,从而可以解决上述大部分问题。分子印迹化合物是一种便捷高效且可重复利用的
24、新型材料,受到了许多科研工作者的青睐。表 1 2017 2022 年分子印迹技术分离黄酮类物质的应用1)Table 1 Application of MIT in separation of flavonoids in 2017-2022模板分子template molecule功能单体functional monomer溶剂solvent交联剂crosslinker引发剂initiator文献reference槲皮素 quercetinN-丙烯酰基-L-天冬氨酸N-acryloyl-L-aspartic acid乙醇 ethyl alcoholNMBAAIBN51槲皮素 quercetin3
25、-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷3-methylacryloxy-propyl trimethoxy-silane甲醇 methanol正硅酸乙酯ethyl orthosilicateAIBN52槲皮素 quercetin4-VP、AM甲醇 methanolTRIMAIBN53槲皮素 quercetinAM乙醇 ethyl alcoholEGDMAAIBN54山奈酚 kaempferolMAA、4-VP、AM四氢呋喃 tetrahydrofuranEGDMAAIBN55山奈酚 kaempferolMAA甲醇 methanolEGDMAAIBN56柚皮素 naringin2-VP乙腈 aceton
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